CN111353120A - 一种长距离高海拔输水线路的设计方法及其设计装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种长距离高海拔输水线路的设计方法及其设计装置。该设计方法包括：获取输水线路的地理环境，并建立输水模型；在输水模型中筛选出从起点至终点的多条初步路线；计算各条初步路线的管线长度；根据预设比重系数分布表中的加权关系，对每条初步路线的加压泵站、高位水池、输水泵站、调流调压阀室的数量以及管线长度分别加权，并计算出加权和；按照加权和从小至大的顺序，对所有初步路线进行排序，选取加权和最小的初步路线作为输水路线；计算输水路线的输水扬程；根据输水扬程，设置设备信息及各个系统。本发明实现对输水线路的设计，大大降低了输水成本，并最大化利用设备资源和水资源，提高输水效果和输水效率。

Description

一种长距离高海拔输水线路的设计方法及其设计装置

技术领域

本发明涉及输水技术领域的一种设计方法，尤其涉及一种长距离高海拔输水线路的设计方法，还设计该设计方法的长距离高海拔输水线路的设计装置。

背景技术

在农田水利、水力发电、工业用水以及城市供水等水利事业中常需要修建从河道、水库引水的建筑物，将水流引入渠道等的建筑物群，称之为引水枢纽。为了能够开发高海拔地区资源，尤其是为了全面、合理、高效的开发和利用该地区煤炭、石油、天然气等资源，需要向高海拔地区进行输水，但是对于这些地区输水不能够采用简单的输水方案，而对于高海拔地区进行输水，往往需要特殊的设计方案才能够实现。

高海拔高扬程高压长距离输水管道能有效解决高海波且水资源匮乏地区工业用水和民生用水问题。管道的运行和维护承受了高海拔地区恶劣地理环境的考验。由于输水管道在不同的地理条件下，其所需要采用的管件是不同的，即采用多段管件进行输水。同时，在设计输水线路时需要充分考虑到沿线的地理环境信息，而现有的输水线路的设计方法未能够充分考虑到输水的多方面因素，输水路线设计不能够最大化利用资源，造成输水成本高、资源利用率低的问题。

发明内容

为解决现有的输水线路的设计方法的输水成本高、资源利用率低的技术问题，本发明提供一种长距离高海拔输水线路的设计方法及其设计装置。

本发明采用以下技术方案实现：一种长距离高海拔输水线路的设计方法，其包括以下步骤：

(1)获取所述输水线路的起点与终点之间的地理环境，并建立相应的输水模型；所述输水模型中设有所述起点与所述终点之间的一个预设区域的流域信息、气象信息、水文测站信息、径流信息、洪水信息、泥沙信息、冰情信息以及水质信息；

(2)根据所述流域信息、所述气象信息、所述水文测站信息、所述径流信息、所述洪水信息、所述泥沙信息、所述冰情信息以及所述水质信息，在所述输水模型中筛选出从所述起点至所述终点的多条初步路线；

(3)计算各条初步路线的管线长度，确定各条初步路线中所需的加压泵站、高位水池、输水泵站以及调流调压阀室的位置及数量；

(4)根据一个预设比重系数分布表中的加权关系，对每条初步路线所对应的加压泵站的数量、高位水池的数量、输水泵站的数量、调流调压阀室的数量以及管线长度分别进行加权，并计算出加权和；所述加压泵站的数量、高位水池的数量、所述输水泵站的数量、所述调流调压阀室的数量、所述输水扬程以及所述管线长度在所述预设比重系数分布表中分别存在一个对应的加权系数；

(5)按照所述加权和从小至大的顺序，对所有初步路线进行排序，选取所述加权和最小的初步路线作为输水路线；

(6)计算所述输水路线的输水扬程；以及

(7)根据所述输水扬程，先确定所述输水管线的各段管件信息以及输水泵站的水机信息，再根据所述水机信息在所述输水模型中确定电源及供配电系统的参数信息，然后选择设备容量和无功补偿参数，再然后通过一个自动化监控系统对所述输水模型中各个设备的运行状态及数据进行监控，最后在所述输水模型中设置空调系统和消防系统。

本发明首先通过先获取地理环境并建立输水模型，以模拟出输水线路的沿线环境，随后根据地理环境信息在输水模型中筛选出多条初步路线，这些路线能够实现起点到终点，而后计算这些路线的管线长度，并针对每条初步路线设定相应的设备的位置和数量，然后根据预设比重系数分布表中的加权关系对各个设备的数量以及管线长度进行加权求和，获得加权和，再然后将加权和进行排序并选出加权和最小的初步路线作为输水路线，而后计算出输水路线的输水扬程，最后根据输水扬程确定水机信息和其他信息，并设立相应的系统进行监控、控温以及防火，实现对输水线路的设计，解决了现有的输水线路的设计方法的输水成本高、资源利用率低的技术问题，得到了输水成本低，资源利用率高，输水效果好的技术效果。

作为上述方案的进一步改进，所述流域信息包括所述预设区域内的水库信息，所述气象信息包括所述预设区域的气候特征信息；所述径流信息包括所述预设区域内的河流信息、降水量信息、一个预设时间段内所述预设区域的洪水分布信息以及丰枯信息；所述丰枯信息根据年径流变率划分出丰、平、枯水年份；所述洪水信息包括水库洪水信息以及山沟洪水信息；所述泥沙信息的计算公式为：

w_b＝βw_s

w_b为多年平均推移质年输沙量，w_s为多年平均悬移质年输沙量，β为推移质与悬移质沙量的比值。

进一步地，所述水库信息包括入库量、水蒸发量以及淤积量；所述水蒸发量的计算公式为：

式中，h_蒸为单位面积蒸发量损失深度，k₁为蒸发折算系数，E₂₀为多年平均实测蒸发量，

为多年平均降雨量，

为多年平均径流深。

作为上述方案的进一步改进，各段管件中最低壁厚的计算公式为：

T＝δ+C1+C2

式中，T为直管管壁设计壁厚，δ为直管管壁理论计算壁厚，C1为壁厚负偏差附加量，C2为腐蚀或磨蚀裕度附加量；

各段管件中最低强度的计算公式为：

γ_oσ≤f

e_min为最小壁厚，PFA为允许工作压力，SF为管件设计参数，DE为管的工程外径，Rm为最小抗拉强度；σ_θ为钢管管壁截面的最大环向应力，σ为钢管管壁截面的最大组合折算应力，η为应力折算系数，γ_o为管道结构重要性系敛。

作为上述方案的进一步改进，所述初步路线的管线长度的计算方法包括以下步骤：

(3.1)对所述初步路线按照铺设管线的管件类型进行划分；

(3.2)统计每种管件的使用长度；

(3.3)计算各种管件的使用长度之和，并作为所述管线长度。

作为上述方案的进一步改进，所述加权系数的确定方法包括以下步骤：

(4.1)确定所述加权系数所对应的设备的价值系数；

(4.2)确定所述加权系数所对应的设备的安装难度系数；

(4.3)对所述价值系数和所述安装难度系数进行加权求和以获得所述加权系数。

作为上述方案的进一步改进，所述输水扬程的计算方法包括以下步骤：

(6.1)根据一个预设的水位净扬程参数表的对照关系，计算出输水过程中的最高净扬程、平均净扬程、设计净扬程以及最小净扬程；

(6.2)确定所述输水系统的泵站输水管线中各段管件的总长度L和管径d，并计算出至少两种沿程损失；其中一种沿程损失定义为第一沿程损失H_f1，其中另一种沿程损失定义为第二沿程损失H_f2；所述第一沿程损失H_f1为各段管件的沿程水头损失之和；所述第二沿程损失H_f2的计算方法包括以下步骤：

(6.2.1)计算雷诺数；

(6.2.2)计算相对粗糙度；

(6.2.3)根据所述雷诺数和所述相对粗糙度，确定清水阻力系数λ；以及

(6.2.4)计算所述第二沿程损失H_f2，且计算公式为：H_f2＝(λ×L×V²)/(2×d×g)；其中，V为所述管件的流速，g为重力加速度；

(6.3)分别计算所述第一沿程损失H_f1和所述第二沿程损失H_f2的误差，并选取误差最小的沿程损失；

(6.4)计算出局部损失；

(6.5)计算误差最小的沿程损失与所述局部损失之和，并将计算结果作为所述输水损失；以及

(6.6)将所述最高净扬程、所述平均净扬程、所述设计净扬程以及所述最小净扬程分别叠加所述输水损失以作为输水过程中的泵站总扬程。

进一步地，所述第一沿程损失H_f1的计算公式为：

H_f1＝(16Q²L₁)/(C₁ ²d⁴Π²R)+(16Q²L₂)/(C₂ ²d⁴Π²R)+…+(16Q²L_n)/(C_n ²d⁴Π²R)

式中，Q为管道流量；L₁，L₂，…，L_n依次为各段管件的长度；C₁，C₂，…，C_n依次为各段管件的谢才系数；R为水力半径；

所述雷诺数的计算公式为：

Re＝(V×d)/ν

Re为所述雷诺数，ν为黏性系数；

各段管件的谢才系数的计算公式为：

C_n＝(R^0.16667)/m

式中，m为各段管件的粗糙系数。

作为上述方案的进一步改进，所述水机信息中水泵安装高程的计算公式为：

[Hg]＝P_a/γ-P_v/γ-[Δh]-hg

式中，P_a/γ为不同海拔下的大气压力，P_v/γ为水在不同温度下的气化压力，[Hg]为水泵允许吸上高度，[Δh]为允许气蚀余量，hg为水泵进水管管路损失。

本发明还提供一种长距离高海拔输水线路的设计装置，其应用上述任意所述的长距离高海拔输水线路的设计方法，其包括：

模型建立模块，其用于获取所述输水线路的起点与终点之间的地理环境，并建立相应的输水模型；所述输水模型中设有所述起点与所述终点之间的一个预设区域的流域信息、气象信息、水文测站信息、径流信息、洪水信息、泥沙信息、冰情信息以及水质信息；

路线初步确定模块，其用于根据所述流域信息、所述气象信息、所述水文测站信息、所述径流信息、所述洪水信息、所述泥沙信息、所述冰情信息以及所述水质信息，在所述输水模型中筛选出从所述起点至所述终点的多条初步路线；

计算确定模块，其用于计算各条初步路线的管线长度，确定各条初步路线中所需的加压泵站、高位水池、输水泵站以及调流调压阀室的位置及数量；

加权计算模块，其用于根据一个预设比重系数分布表中的加权关系，对每条初步路线所对应的加压泵站的数量、高位水池的数量、输水泵站的数量、调流调压阀室的数量以及管线长度分别进行加权，并计算出加权和；所述加压泵站的数量、高位水池的数量、所述输水泵站的数量、所述调流调压阀室的数量、所述输水扬程以及所述管线长度在所述预设比重系数分布表中分别存在一个对应的加权系数；

排序选取模块，其用于按照所述加权和从小至大的顺序，对所有初步路线进行排序，选取所述加权和最小的初步路线作为输水路线；

扬程计算模块，其用于计算所述输水路线的输水扬程；以及

设备确定模块，其用于根据所述输水扬程，先确定所述输水管线的各段管件信息以及输水泵站的水机信息，再根据所述水机信息在所述输水模型中确定电源及供配电系统的参数信息，然后选择设备容量和无功补偿参数，再然后通过一个自动化监控系统对所述输水模型中各个设备的运行状态及数据进行监控，最后在所述输水模型中设置空调系统和消防系统。

相较于现有的输水线路的设计方法，本发明的长距离高海拔输水线路的设计方法及其设计装置具有以下有益效果：

1、该长距离高海拔输水线路的设计方法，其首先通过先获取地理环境并建立输水模型，以模拟出输水线路的沿线环境，随后根据地理环境信息在输水模型中筛选出多条初步路线，这些路线能够实现起点到终点，而且考虑到起点到终点之间的沿线情况，使得路线更符合实际需求，避免出现设计的路线不能够在实际中进行实现，而后计算这些路线的管线长度，并针对每条初步路线设定相应的设备的位置和数量，以优化设计流程，减少设计时间，然后根据预设比重系数分布表中的加权关系对各个设备的数量以及管线长度进行加权求和，获得加权和，这样就能够综合出各个初步路线的评价指标，以便于后续对路线进行筛选，再然后将加权和进行排序并选出加权和最小的初步路线作为输水路线，而该加权和可以为输水线路成本，这样就可以使设计的输水路线的成本最低化，同时也可以综合其他信息，使最后选取的路线是最优路线，而后计算出输水路线的输水扬程，最后根据输水扬程确定水机信息和其他信息，并设立相应的系统进行监控、控温以及防火，实现对输水线路的设计，大大降低了输水成本，并最大化利用设备资源和水资源，提高输水效果和输水效率。

2、该长距离高海拔输水线路的设计方法，其建立的输水模型中设有流域信息、气象信息、水文测站信息、径流信息、洪水信息、泥沙信息、冰情信息以及水质信息，这些信息能够为筛选出初步路线提供筛选依据，例如可以剔除掉位于洪水高发区域的路线，这样使得初步路线的数量大大减少，降低路线筛选的复杂度，同时也避免选取到不合理路线。而且，将这些地理环境信息输入到输水模型中，可以形成输水环境信息的大数据，可以便于后期建立输水信息库，以便于后续建立其他的输水模型以及输水线路。

3、该长距离高海拔输水线路的设计方法，其输水模型中泥沙信息可以根据多年平均推移质年输沙量与多年平均悬移质年输沙量之间存在的经验关系，来计算多年平均推移质年输沙量，从而使得输水模型更加接近真实情况，并且可以为筛选出初步路线提供准确数据。而且，水库信息中水蒸发量也可以通过公式计算出，这样就可以为选取路线提供更加精确的数据，尤其是计算水库持续水量时能够提供理论依据，保证输水的持续进行。

4、该长距离高海拔输水线路的设计方法，其设计的输水管线管线压力较高，因此发生事故后果较严重，而该设计方法则通过计算出各段管件中最低壁厚以及最低强度，这样为选择管件提供数据支撑，尤其是在计算出输水扬程后，可以选取出满足工程要求的管件种类，这样一方面能够降低管件的费用，降低输水成本，另一方面能够充分利用设备资源，提升资源利用率。

5、该长距离高海拔输水线路的设计方法，其计算输水扬程时先计算出输水过程中的最高净扬程、平均净扬程、设计净扬程以及最小净扬程，然后计算输水管线的多种沿程损失，并且其中一种沿程损失为统计多段管件的总沿程损失，即将各段沿程损失进行叠加获得第一沿程损失，而另一种沿程损失则直接计算整体的沿程损失，通过先计算雷诺数和相对粗糙度而进一步计算出清水阻力系数，随后根据该系数以及其他已知参数直接计算出第二沿程损失，再然后计算各种沿程损失的误差，并选出误差最小的沿程损失，而后将该沿程损失与局部损失叠加后作为输水过程中的输水损失，最后将输水损失与之前计算出的各种扬程叠加，从而计算出输水过程中的泵站总扬程，这样所计算出的泵站总沿程充分考虑到实际上的沿程损失和局部损失，使最终的计算结果更加准确，避免出现扬程设计过大或过小，以便于在实际输水过程中对相关水泵等设备进行数量和规格的选型，减少资源浪费，使输水设计及应用更加高效和便捷。

该长距离高海拔输水线路的设计装置，其有益效果与上述长距离高海拔输水线路的设计方法的有益效果相同，在此不再做赘述。

附图说明

图1为本发明实施例1的长距离高海拔输水线路的设计方法的流程图；

图2为本发明实施例2的长距离高海拔输水线路的设计方法中计算输水扬程的流程图；

图3为本发明实施例3的长距离高海拔输水线路的设计方法中的巴图湾水文站控制流域面平均降水量与径流深的相关图；

图4为本发明实施例3的长距离高海拔输水线路的设计方法中的巴图湾水文站与韩家峁水文站年径流相关图；

图5为本发明实施例3的长距离高海拔输水线路的设计方法中的河南气象站1960～2006年年降水量频率曲线图；

图6为本发明实施例3的长距离高海拔输水线路的设计方法中的河南气象站1976～2006年年降水量频率曲线图；

图7为本发明实施例3的长距离高海拔输水线路的设计方法中的巴图湾水文站年径流频率曲线图；

图8为本发明实施例3的长距离高海拔输水线路的设计方法中的巴图湾水文站降水与区间径流深相关图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

请参阅图1，本实施例提供了一种长距离高海拔输水线路的设计方法，该设计方法用于设计位于高海拔地区的输水线路，并且能够实现长距离高压输水。在本实施例中，该长距离高海拔输水线路的设计方法包括以下这些步骤，即步骤(1)-(7)。

(1)获取输水线路的起点与终点之间的地理环境，并建立相应的输水模型。输水模型中设有起点与终点之间的一个预设区域的流域信息、气象信息、水文测站信息、径流信息、洪水信息、泥沙信息、冰情信息以及水质信息。在本实施例中，流域信息包括预设区域内的水库信息，而水库信息包括入库量、水蒸发量以及淤积量。其中，水蒸发量的计算公式为：

式中，h_蒸为单位面积蒸发量损失深度，k₁为蒸发折算系数，E₂₀为多年平均实测蒸发量，

为多年平均降雨量，

为多年平均径流深。由于水蒸发量也可以通过公式计算出，这样就可以为选取路线提供更加精确的数据，尤其是计算水库持续水量时能够提供理论依据，保证输水的持续进行。

而且，在本实施例中，气象信息包括预设区域的气候特征信息。述径流信息包括预设区域内的河流信息、降水量信息、一个预设时间段内预设区域的洪水分布信息以及丰枯信息。丰枯信息根据年径流变率划分出丰、平、枯水年份；洪水信息包括水库洪水信息以及山沟洪水信息；泥沙信息的计算公式为：

w_b＝βw_s

w_b为多年平均推移质年输沙量，w_s为多年平均悬移质年输沙量，β为推移质与悬移质沙量的比值。由于泥沙信息可以根据多年平均推移质年输沙量与多年平均悬移质年输沙量之间存在的经验关系，来计算多年平均推移质年输沙量，从而使得输水模型更加接近真实情况，并且可以为筛选出初步路线提供准确数据。

(2)根据流域信息、气象信息、水文测站信息、径流信息、洪水信息、泥沙信息、冰情信息以及水质信息，在输水模型中筛选出从起点至终点的多条初步路线。在筛选时，可以根据水库信息选取路线，例如，在水库区域设立取水点，根据入库量、水蒸发量以及淤积量确定水库的出水量，从而确定取水量。再例如可以剔除掉位于洪水高发区域的路线，这样使得初步路线的数量大大减少。相同地，其他的地理环境信息都能够为初步路线的提供数据支撑，这样降低路线筛选的复杂度，同时也避免选取到不合理路线。而在一些特殊使用情况下，这些地理环境信息都可以作为基础数据，并设立相关的数据计算模型，而实际应用中可以在输水模型中规划出所有路径，这些数据为在所有路径中筛选出初步路线提供筛选限制条件。这些路线能够实现起点到终点，而且考虑到起点到终点之间的沿线情况，使得路线更符合实际需求，避免出现设计的路线不能够在实际中进行实现。而且，将这些地理环境信息输入到输水模型中，可以形成输水环境信息的大数据，可以便于后期建立输水信息库，以便于后续建立其他的输水模型以及输水线路。

(3)计算各条初步路线的管线长度，确定各条初步路线中所需的加压泵站、高位水池、输水泵站以及调流调压阀室的位置及数量。在本实施例中，初步路线的管线长度的计算方法包括以下步骤：(3.1)对初步路线按照铺设管线的管件类型进行划分；(3.2)统计每种管件的使用长度；(3.3)计算各种管件的使用长度之和，并作为管线长度。而这些设备的确定可以通过计算机程序自动实现，即根据管线长度自动确定相关设备的设立地点和数量，优化设计流程，减少设计时间。

(4)根据一个预设比重系数分布表中的加权关系，对每条初步路线所对应的加压泵站的数量、高位水池的数量、输水泵站的数量、调流调压阀室的数量以及管线长度分别进行加权，并计算出加权和。这样就能够综合出各个初步路线的评价指标，以便于后续对路线进行筛选。加压泵站的数量、高位水池的数量、输水泵站的数量、调流调压阀室的数量、输水扬程以及管线长度在预设比重系数分布表中分别存在一个对应的加权系数。本实施例中需要对加权系数进行确定，而且确定方法包括以下步骤：(4.1)确定加权系数所对应的设备的价值系数；(4.2)确定加权系数所对应的设备的安装难度系数；(4.3)对价值系数和安装难度系数进行加权求和以获得加权系数。

(5)按照加权和从小至大的顺序，对所有初步路线进行排序，选取加权和最小的初步路线作为输水路线。该加权和可以为输水线路成本，这样就可以使设计的输水路线的成本最低化，同时也可以综合其他信息，使最后选取的路线是最优路线。

(6)计算输水路线的输水扬程。输水扬程计算出来能够为后续选取设备类型提供数据支撑，尤其方便选取水泵的数量和规格。输水扬程在计算时需要考虑到输水损失，从而接近实际的输水扬程，避免出现扬程设计过小的情况。

(7)根据输水扬程，先确定输水管线的各段管件信息以及输水泵站的水机信息，再根据水机信息在输水模型中确定电源及供配电系统的参数信息，然后选择设备容量和无功补偿参数，再然后通过一个自动化监控系统对输水模型中各个设备的运行状态及数据进行监控，最后在输水模型中设置空调系统和消防系统。这样就实现对输水线路的设计，大大降低了输水成本，并最大化利用设备资源和水资源，提高输水效果和输水效率。

在本实施例中，各段管件中最低壁厚的计算公式为：

T＝δ+C1+C2

式中，T为直管管壁设计壁厚，δ为直管管壁理论计算壁厚，C1为壁厚负偏差附加量，C2为腐蚀或磨蚀裕度附加量。

各段管件中最低强度的计算公式为：

γ_oσ≤f

e_min为最小壁厚，PFA为允许工作压力，SF为管件设计参数，DE为管的工程外径，Rm为最小抗拉强度；σ_θ为钢管管壁截面的最大环向应力，σ为钢管管壁截面的最大组合折算应力，η为应力折算系数，γ_o为管道结构重要性系敛。本实施例中通过计算出各段管件中最低壁厚以及最低强度，这样为选择管件提供数据支撑，尤其是在计算出输水扬程后，可以选取出满足工程要求的管件种类，这样一方面能够降低管件的费用，降低输水成本，另一方面能够充分利用设备资源，提升资源利用率。

水机信息中水泵安装高程的计算公式为：

[Hg]＝P_a/γ-P_v/γ-[Δh]-hg

式中，P_a/γ为不同海拔下的大气压力，P_v/γ为水在不同温度下的气化压力，[Hg]为水泵允许吸上高度，[Δh]为允许气蚀余量，hg为水泵进水管管路损失。

综上所述，相较于现有的输水线路的设计方法，本实施例的长距离高海拔输水线路的设计方法具有以下优点：

1、该长距离高海拔输水线路的设计方法，其首先通过先获取地理环境并建立输水模型，以模拟出输水线路的沿线环境，随后根据地理环境信息在输水模型中筛选出多条初步路线，这些路线能够实现起点到终点，而且考虑到起点到终点之间的沿线情况，使得路线更符合实际需求，避免出现设计的路线不能够在实际中进行实现，而后计算这些路线的管线长度，并针对每条初步路线设定相应的设备的位置和数量，以优化设计流程，减少设计时间，然后根据预设比重系数分布表中的加权关系对各个设备的数量以及管线长度进行加权求和，获得加权和，这样就能够综合出各个初步路线的评价指标，以便于后续对路线进行筛选，再然后将加权和进行排序并选出加权和最小的初步路线作为输水路线，而该加权和可以为输水线路成本，这样就可以使设计的输水路线的成本最低化，同时也可以综合其他信息，使最后选取的路线是最优路线，而后计算出输水路线的输水扬程，最后根据输水扬程确定水机信息和其他信息，并设立相应的系统进行监控、控温以及防火，实现对输水线路的设计，大大降低了输水成本，并最大化利用设备资源和水资源，提高输水效果和输水效率。

2、该长距离高海拔输水线路的设计方法，其建立的输水模型中设有流域信息、气象信息、水文测站信息、径流信息、洪水信息、泥沙信息、冰情信息以及水质信息，这些信息能够为筛选出初步路线提供筛选依据，例如可以剔除掉位于洪水高发区域的路线，这样使得初步路线的数量大大减少，降低路线筛选的复杂度，同时也避免选取到不合理路线。而且，将这些地理环境信息输入到输水模型中，可以形成输水环境信息的大数据，可以便于后期建立输水信息库，以便于后续建立其他的输水模型以及输水线路。

3、该长距离高海拔输水线路的设计方法，其输水模型中泥沙信息可以根据多年平均推移质年输沙量与多年平均悬移质年输沙量之间存在的经验关系，来计算多年平均推移质年输沙量，从而使得输水模型更加接近真实情况，并且可以为筛选出初步路线提供准确数据。而且，水库信息中水蒸发量也可以通过公式计算出，这样就可以为选取路线提供更加精确的数据，尤其是计算水库持续水量时能够提供理论依据，保证输水的持续进行。

4、该长距离高海拔输水线路的设计方法，其设计的输水管线管线压力较高，因此发生事故后果较严重，而该设计方法则通过计算出各段管件中最低壁厚以及最低强度，这样为选择管件提供数据支撑，尤其是在计算出输水扬程后，可以选取出满足工程要求的管件种类，这样一方面能够降低管件的费用，降低输水成本，另一方面能够充分利用设备资源，提升资源利用率。

实施例2

请参阅图2，本实施例提供了一种长距离高海拔输水线路的设计方法，该方法在实施例1的设计方法的基础上举例了输水扬程的计算方法。该计算方法所计算出扬程数据能够为输水系统提供设计依据，例如，在选择水泵数量以及确定水泵规格时，就可以通过扬程数据进行确定，同时，建造泵站等其他配套设施也可以根据计算结果进行确定。该输水扬程的计算方法包括以下这些步骤，即包括步骤(6.1)至步骤(6.6)。

(6.1)根据一个预设的水位净扬程参数表的对照关系，计算出输水过程中的最高净扬程、平均净扬程、设计净扬程以及最小净扬程。在本实施例中，最高净扬程为输水系统中高位水池的最高运行水位与前池的最低运行水位的差值。平均净扬程为高位水池与前池的平均水位之差。设计净扬程为高位水池与前池的设计水位之差。最小净扬程为高位水池的最低运行水位与前池的最高运行水位的差值。这里需要说明的是，水位净扬程参数表中的数值需要根据实际需要进行设定，其可以通过软件计算的方式实现，还可以通过电子表格的方式直接进行计算。这四个关于扬程方面的数据，可以为后期扬程计算提供基础数据，但由于在实际应用过程中，输水扬程的实际数据会大于这些数据，因为还存在损耗的问题，所以需要计算扬程损失，而扬程损失会和多种因素相关，所以需要进行准确地计算，这会在后续步骤中进行分析计算。

(6.2)确定输水系的泵站输水管线中各段管件的总长度L和管径d，并计算出至少两种沿程损失。其中一种沿程损失定义为第一沿程损失H_f1，其中另一种沿程损失定义为第二沿程损失H_f2。在本实施例中，在计算总长度L和管径d时，这需要考虑到输水的起点和终点之间的地形、水文等实际情况。

第一沿程损失H_f1为各段管件的沿程水头损失之和。第一沿程损失H_f1的计算公式为：

H_f1＝(16Q²L₁)/(C₁ ²d⁴Π²R)+(16Q²L₂)/(C₂ ²d⁴Π²R)+…+(16Q²L_n)/(C_n ²d⁴Π²R)

式中，Q为管道流量。L₁，L₂，…，L_n依次为各段管件的长度。C₁，C₂，…，C_n依次为各段管件的谢才系数。R为水力半径。在本实施例中各段管件的谢才系数的计算公式为：

C_n＝(R^0.16667)/m

式中，m为各段管件的粗糙系数。在具体计算时，本实施例的取值情况如下，在管件为钢管时，粗糙系数m为0.0115。在管件为铸铁管时，粗糙系数m为0.0125。

第二沿程损失H_f2的计算方法包括以下这些步骤，即步骤(6.2.1)-(6.2.4)。

(6.2.1)计算雷诺数。其中，雷诺数的计算公式为：

Re＝(V×d)/ν

Re为雷诺数，ν为黏性系数。

(6.2.2)计算相对粗糙度。其中，相对粗糙度的计算公式为：

为相对粗糙度，Δ为当量粗糙度。

(6.2.3)根据雷诺数和相对粗糙度，确定清水阻力系数λ。在本实施例中，通过查穆迪图得清水阻力系数为：λ＝0.017。

(6.2.4)计算第二沿程损失H_f2，且计算公式为：H_f2＝(λ×L×V²)/(2×d×g)。其中，V为管件的流速，g为重力加速度。

(6.3)分别计算第一沿程损失H_f1和第二沿程损失H_f2的误差，并选取误差最小的沿程损失。

(6.4)计算出局部损失。

(6.5)计算误差最小的沿程损失与局部损失之和，并将计算结果作为输水损失。

(6.6)将最高净扬程、平均净扬程、设计净扬程以及最小净扬程分别叠加输水损失以作为输水过程中的泵站总扬程。

该长距离高海拔输水线路的设计方法，其计算输水扬程时先计算出输水过程中的最高净扬程、平均净扬程、设计净扬程以及最小净扬程，然后计算输水管线的多种沿程损失，并且其中一种沿程损失为统计多段管件的总沿程损失，即将各段沿程损失进行叠加获得第一沿程损失，而另一种沿程损失则直接计算整体的沿程损失，通过先计算雷诺数和相对粗糙度而进一步计算出清水阻力系数，随后根据该系数以及其他已知参数直接计算出第二沿程损失，再然后计算各种沿程损失的误差，并选出误差最小的沿程损失，而后将该沿程损失与局部损失叠加后作为输水过程中的输水损失，最后将输水损失与之前计算出的各种扬程叠加，从而计算出输水过程中的泵站总扬程，这样所计算出的泵站总沿程充分考虑到实际上的沿程损失和局部损失，使最终的计算结果更加准确，避免出现扬程设计过大或过小，以便于在实际输水过程中对相关水泵等设备进行数量和规格的选型，减少资源浪费，使输水设计及应用更加高效和便捷。

实施例3

本实施例提供了一种长距离高海拔输水线路的设计方法，该设计方法在实施例1或实施例2的基础上对一个输水工程的输水线路进行设计。其中，本实施例所应用的输水工程分为两部分，即内蒙古的新能源化工基地到图克工业园区干线工程部分和图克工业园区到乌审召工业园区支线工程部分。工程位于内蒙古自治区鄂尔多斯市乌审旗境内。地理坐标：东经108°17′～109°04′，北纬37°39′～38°40′。图克工业园区距旗政府所在地嘎鲁图镇以东约(原名达布察克镇)84km。乌审召工业园区位于乌审旗东北部，东邻图克镇，西界鄂托克旗木肯淖尔镇、乌兰镇，南接嘎鲁图镇、乌兰陶勒盖镇，北靠伊金霍洛旗红庆河镇、杭锦旗锡尼镇。干线输水工程起点位于新能源化工基地蒙大工业园区内净水厂的分水阀门井，该厂区距嘎鲁图镇90.0km，距通长公路500m，距无定河镇18km。净水厂水源为新能源化工基地供水工程(一、二期)的大草湾取水口和巴图湾水库，新能源化工基地净水厂区一期已建四座澄清池，二期建设两座澄清池，一期设计处理能力2.0m³/s,二期设计处理能力1.0m³/s，处理能力可满足图克工业园区、乌审召工业园区及蒙大工业园区的用水要求。新能源化工基地净水厂区内已经建成20万m³调蓄水池可以满足事故工况一天的调节容积。终点为图克工业园区中煤能源公司厂区水处理站，输水管线全长145.5km，其中加压泵站到高位水池输水管线长141km，高位水池到厂区自流段输水管线长4.5km。支线输水工程起点为图克工业园区内15000m³高位水池，终点为内蒙古中煤蒙大化工公司50万吨工程塑料项目一次水供水管网。

而主要技术要求

(1)输水流量：

满足新能源化工基地净水厂到图克工业园区干线输水流量1.35m³/s，年最大输水量4244.9万m³。

乌审召工业园区支线年最大输水量1600万m³(包含在4244.9万m³水量内)，管线的末端水压要求0.2MPa。

(2)供水水质要求：供水悬浮物SS≤20mg/l。

(3)设计取水保证率：设计取水保证率P＝97％。

该工程属于长距离输水管线工程，线路选择初期通过测绘局提供的1:10万地形图与谷歌地球相结合初选了两条线路，经比较，初步选择一条较优线路，即输水管线从新能源化工基地净水厂向北偏西沿通长公路和S313公路东侧铺，末段沿S313公路东侧向北偏东方向铺设至图克工业园区用水点。从新能源化工基地净水厂至图克工业园区高位水池设计水位高差约为215.0m，总扬程365.5m。经方案综合比较，输水管线通过一级泵站加压至图克工业园区高位水池，再由高位水池分水至两个工业园区。

输水管线担负着从乌审旗新能源化工基地净水厂区至图克工业园区的输水任务，起点为乌审旗新能源化工基地净水厂加压泵站，终点为图克工业园区中煤能源公司厂区水处理站。输水管线全长145.5km，其中从加压泵站到高位水池，输水距离141.0km，从高位水池到中煤能源公司厂区水处理站，输水距离4.5km，最大输水流量为1.35m³/s。

在分析流域信息时，红柳河发源于陕西省定边县长虫梁，向北倾。向东北流至二层河滩，进入鄂尔多斯市，并至跌哨沟湾入乌审旗境内，向东北流经巴图湾水库、后经新窑峁水电站、张冯畔水电站，在庙畔桥出境，又入陕西省境内。红柳河上游在陕西境内，主河道长99.9km，控制流域面积2054km²，有大中型水库16座，将年径流全部拦蓄。其中新桥水库为大(Ⅱ)型水库，该库以上流域面积1331km²。红柳河在鄂尔多斯市境内主河道长91.4km，新桥水库至巴图湾水库坝址区间流域面积3421km²，新桥水库至大草湾取水口区间流域面积6386km²，水面比降较缓，约为3‰。在巴图湾水库下游43km处红柳河左岸有支流海流图河汇入，河长为68km，海流图河上有韩家峁水文站距河口6.9km，韩家峁站控制面积为2452km²，其产流主要集中在上游补浪河口以上，多为草滩间杂少量沙丘、耕地，汇口以下河道两岸亦均为风积沙丘，经计算产流面积为262km²。

在分析气象信息时，流域内有2个气象站:达布察克气象站、乌审旗河南乡气象站。其中达布察克气象站位于旗中部，河南乡气象位于巴图湾水库以南，观测项目有降水、蒸发、气温、风速、风向、冻土及日照等。本次收集河南乡及达镇气象站资料相对齐全，资料系列为1959-2000年。

鄂尔多斯高原深居欧亚大陆腹地，远离海洋，受极地气团影响较大，形成了典型的温带大陆性气候。全年大部分时间为西北气流控制，所以气候干燥、寒冷、多风，只有盛夏季节东南季风带着海洋水汽输入内地形成降水。因此，气候特征为四季分明、无霜期短、日照充足、蒸发能力强、降水量小而集中。

据河南乡统计，多年平均降水量为356mm，降水量在年际间变化也较大，历年最大年降水量634.1mm(1964年)，最小年降水量132.9mm(1965年)，最大年降水量是最小年降水量4.77倍。受日照、植被、风速、气温等因素的影响，河南乡多年平均年蒸发量(20cm蒸发皿观测值)为2226mm，是多年平均年降水量的6.25倍。由于春季干燥多风，夏季湿热，所以春夏两季蒸发量较大，5～9月蒸发量为1582mm，占年蒸发量的71％左右；4、5两个月份的蒸发量为612mm，占年蒸发量的27.5％(河南乡)。本地区多年平均风速3.6m/s，以西北风为主，历年最大风速达27m/s(河南乡)，多年平均年最大风速为15m/s,汛期6—9月平均最大风速为13.6m/s,风向多西风和西北风。该地区日照时间比较充足，多年平均年日照时数为2886h，多年平均无霜期为145天(河南乡)，历年最大冻土深为1.46m。

在分析水文测站信息时，大草湾取水口河段没有水文测站，在其上游鄂尔多斯境内有巴图湾水文站、下游支流海流图河上建有韩家峁水文站。其中韩家峁水文站于1956年建站，观测项目有水位、流量、泥沙、降水等项目。巴图湾水库水文观测工作始于1954年。

在分析径流信息时，新能源化工基地供水工程，二期建设的目的一期工程区间来水不满足取水要求时，由巴图湾水库取水，通过管道向新能源化工基地补水，以满足其用水要求。因此本次二期径流分析仅分析巴图湾水库的径流量。

由于实测资料系列不足30年需插补延长水文资料系列，本次绘制巴图湾水文站1981～2006年系列中观测完整年份径流与水文站控制流域同期面平均降水量相关图，面平均降水量采用河南气象站和巴图湾水文站观测资料的平均值。经分析二者相关关系尚可，相关系数为0.71，因此可利用面平均雨量～径流深相关关系插补巴图湾水文站缺测径流资料，插补后巴图湾站具有26年径流资料，不能满足水文计算规范、水利计算规范的要求，需对径流系列进行展延。由于巴图湾水文站降水量仅有1976～2006年观测资料，因此可得到1976～2006年面平均降水量资料系列，利用此资料和上述相关关系，可展延巴图湾站1976～1980年径流系列，展延后即得到巴图湾站1976～2006年31年径流系列，满足规范求。面平均降水量～径流深相关关系，如图3所示。

本次还试图通过具有1957～2006年实测资料系列的海流图河韩家峁站展延巴图湾水文站成果，但通过两站1981～2006年同步径流系列进行相关分析，相关点据散乱，相关系数仅为0.05，相关性极差，无法利用韩家峁站展延巴图湾站径流系列，韩家峁与巴图湾年径流相关图如图4所示。

对河南气象站1960～2006年47年系列和1976～2006年31年系列分别进行频率计算，计算成果见表1，并参阅图5以及图6。

表1河南气象站降水系列稳定性分析成果表

从上表中的计算成果可以看出，均值短系列较长系列有所减小，减小幅度为3.6％；变差系数Cv短系列略小于长系列，偏态系数Cs短系列与长系列一致。由此可见，短系列降水较长系列略枯，统计参数基本稳定，具有一定的代表性。

根据计算的年径流变率

可以划分出丰、平、枯水年份，一般情况是以K≥1.2的年份为丰水年，0.8≤K＜1.2为平水年，K＜0.8为枯水年。年径流丰枯分析成果，具体参见表2。

表2河南气象站降水系列丰枯分析成果表

从河南气象站1960～2006年降水系列分析，丰水年有13年，占27.7％；平水年20年，占42.6％；枯水年14年，占29.8％。而从1976～2006年降水系列分析，丰水年有8年，占25.8％；平水年12年，占38.7％；枯水年11年，占35.5％。从两个系列分析可知，长、短系列均有明显丰、平、枯变化规律，短系列中丰水年所占比例与长系列基本一致，平水年所占比例减小3.9％，枯水年所占比例增加5.7％，短系列中丰、平、枯年型所占比例更趋均衡，且枯水年所占比例增加，能反映近期该流域气候总体演变趋势。综上所述，河南气象站1976～2006年降水具有一定的代表性。

根据巴图湾水文站1976～2006年径流资料，按连续系列进行频率计算，采用P-Ⅲ型频率曲线，适线确定年径流参数，求得不同频率下的径流量，成果见表3，频率曲线如图7所示。

表3巴图湾水文站设计年径流成果表(单位：万m³)

图湾水文站至巴图湾水库坝址流域面积为900km²，该区间没有水文站观测资料，但巴图湾水库有1983～2005年运行观测资料。《乌审旗水资源调查评价报告》中根据巴图湾水文站实测径流量及巴图湾水库水位、发电流量、渗漏量等对巴图湾水库进行水均衡计算，反求区间来水量。计算采用水量平衡公式为：

ΔW＝Q_上游+Q_区间+P_{库区降水量}-Q_发电-Q_灌溉-Q_大坝渗流-Q_{水轮机渗流}-E_水面蒸发

式中：ΔW－水库蓄变量，为水库年末蓄水量减去年初蓄水量

Q_上游－上游巴图湾水文站来水量

Q_区间－巴图湾水文站到巴图湾水库区间来水量

P_{库区降水量}－库区水面上的降水量

Q_发电－发电用水量

Q_灌溉－灌溉用水量

Q_大坝渗流－大坝渗流量

Q_{水轮机渗流}－水轮机渗流量

E_水面蒸发－库区水面蒸发量

式中：除Q_区间为未知量外，其余均为已知量，各年初蓄水量由水位通过查水位～库容曲线推求，库区水面由水位通过查水位～水面面积曲线推求，水位为实测值，其它项亦为实测值

请参阅图8，为了计算巴图湾水库1976～2006年入库径流，需展延巴图湾水文站～巴图湾水库区间1976～1982年、2006年径流系列。通过降雨径流关系分析，巴图湾水文站降水量与区间同步径流量相关关系较好，相关系数为0.74。利用巴图湾水文站1976～1982年、2006年降水量即可插补巴图湾水文站～巴图湾水库区间同步径流量，从而得到区间1976～2006年31年径流系列，计算多年平均径流量为2551万m³。

在分析洪水信息时，由于巴图湾水库近年内没有出现大洪水，且巴图湾水库除险加固工程刚完成，因此，本次巴图湾水库洪水直接采用原水库除险加固设计洪水成果。

在分析泥沙信息时，巴图湾水库泥沙参证站选用韩家峁站1957～2005年泥沙资料。韩家峁站1957～2005年多年平均输沙量26万t，多年平均侵蚀模数为106t/(km².a)，多年平均含沙量2.93kg/m³，泥沙年内分配相对均匀，其中在汛期，7～10月来沙量占全年沙量53.2％；冰期(11、12、1～3月)占34.6％；枯水期(4～6月)占15％。年际间变化较大，历年实测最大悬移质输沙量178.1万t(1964年)，最小1.6万t(1999年)。推移值泥沙按10％考虑。则韩家峁站多年平均总输沙量为28.6万t。坝址多年平均侵蚀模数按106t/(km².a)，则多年平均输沙量为36.3万t，多年平均侵蚀模数为106t/(km².a)，多年平均含沙量3.72kg/m³，多年平均总输沙量为39.93万t。

在分析冰情信息时，根据该地区径流资料统计得知：本河段在60年代仅有2年封冻，60年代以后由于气候相对变暖，并且在60年代后巴图湾水库的建成，泄流水温较高，该河在巴图湾水库下游就没有封冻，仅有岸冰现象。但据巴图湾水库库管理人员介绍，自1960年大坝合垄运行前，水库结冰期在11月上旬，融冰期在3月下旬，封冻天数130天左右，结冰厚在1.0m左右，水库多年运行期间库区没有发生冰塞、冰坝等特殊冰情。下游河道没有封河现象。

输水管材分为钢管和球墨铸铁管，前113.5km压力大、地形复杂，采用钢管。后32.0km地下水埋深浅，防腐要求高，采用球墨铸铁管。为节约投资，输水管线分为四个压力等级，钢管段分为三个压力等级，球墨铸铁管为一个压力等级。第一段从加压泵站至27.5km处，此段管道内水压力大，地形起伏变化大，管道设计压力为5.0MPa。第二段从27.5km处到67.5km处，地形相对平缓，管道内水压力减小，管道设计压力为3.5MPa。第三段从67.5km处到113.5km处，管道设计压力为2.5MPa。第四段为剩下的32.0km，地下水埋深浅，地表形成很多沼泽地及水塘，此段为满足输水管道防腐要求，采用球墨铸铁管，管道设计压力为1.5MPa，其中高位水池到中煤能源公司厂区清水池为自流段，管线长4.5km。

在图克工业园区高位水池附近设加压泵站，通过1根DN800钢管输水至乌审召工业园区内蒙古中煤蒙大化工公司50万吨工程塑料项目，一部分生产水入厂总管(管线接口DN600，埋地，设计压力0.2MPa)，一部分直接供给循环水场(DN500，埋地)用于补充水，另一部分经管线(DN500，埋地)进入给水升压及消防水站的2座生产、消防水罐(7500m³/座)，经加压后分别进入全厂生产给水管网及消防水管网。

输水工程的具体方案如下：

(1)输水管线

输水管线全长145.5km，根据地形条件供分四段：

1)从净水厂加压泵站至27.5km处，为有压流，采用钢管，设计压力5.0MPa。

2)从27.5km处到67.5km处，为有压流，采用钢管，设计压力3.5MPa。

3)从67.5km处到113.5km处，为有压流，采用钢管，设计压力2.5MPa。

4)剩余32.0km，为有压流，采用球墨铸铁管，设计压力1.5MPa，其中4.5km为自流段，设计压力1.5MPa。

(2)高位水池

由我院设计的中煤鄂尔多斯能源化工有限公司乌审旗新能源化工基地至图克园以及50万吨工程塑料项目输水管线工程，原可研设计为全线有压流，末端接管点为图克工业园区中煤厂区调蓄水池。但考虑到乌审召工业园区及图克工业园区其他企业的用水需求，保证给其它用水企业供水的灵活性及主管线运行的安全性，在图克工业园区西北部高点主管线桩号K141+000处设置总容积为15000m³半地下室高位水池。高位水池为矩形C25钢筋混凝土结构，混凝土抗冻等级F200,抗渗等级W4。池子的尺寸为：50m×75m，高5.1m。

本工程设计供水流量为4860m³/h，设置15000m³的高位水池可使池内水位波动性减小，满足高位水池设计水位的稳定，从而保证自流管线水流状态的稳定。

若在主管末端设支管为其他企业供水，将直接影响主管道的水力过渡过程防护方案，由于其他企业用水规模不能最终确定，现在无法进行水力过渡过程分析计算。为保证后期供水的灵活性、可靠性，设置高位水池是必要的。

(3)附属建筑物

通过水力过渡过程计算，每台水泵出水管需设1个快速关闭止回阀及1个检修球阀。泵站出水主管道上需设一个20m³气压罐及一个超压泄压阀。输水管全线共设钢筋混凝土排补气井179座，其中2座井内设置1个DN100空气阀，其余177个井内设置2个DN100空气阀，空气阀类型为三级缓排式空气阀及复合式空气阀。输水管线还需布置排水井37座(井内排水阀为DN300)，钢筋混凝土阀门井35座。所有管件包括阀门的压力要求均与输水管道的压力等级相对应。

(4)交叉建筑物

输水管线穿越铁路2处、公路14处。穿越铁路和公路全部采用DN1800(δ＝200mm)的预制钢筋混凝土管顶管施工，按照《给水排水工程顶管技术规程》CECS 246:2008，顶管覆土厚度在不稳定土层中宜大于管道外径的1.5倍，并应小于1.5m。混凝土管覆土厚度3.5m,在顶管两侧设检修阀门井，根据具体位置考虑是否增设排补气阀。管线穿越角度均大于45度。

输水管线穿河沟及半固定沙丘段采用混凝土包管保护措施，混凝土厚度0.3m。穿越沟道时，管道置于冲深以下，管顶采用0.5m厚铅丝石笼保护。

检修道路平行管线布置，路面宽4.0m，采用砂石路面，全长约113.2km。

(5)加压泵站及厂区建筑物

泵站设计总流量Q＝1.35m³/s。

加压泵站由主厂房、副厂房及前池组成。

1)主厂房

主厂房上部为C30钢筋混凝土框架结构，下部为C25钢筋混凝土结构，边墙厚0.8m，底板厚1.0m，巡视廊道宽1.2m。主厂房长50.54m，宽14.24m。主厂房检修间地面高程为1131.70m，水泵、电机层地面高程为1123.70m，主厂房比室外地面高0.2m。厂房泵室安装4台卧式多级水泵，一列式布置，3工1备。相邻机组间距为3.0m，检修间宽度为5.6m。

根据电机和水泵的重量和外形尺寸，泵房内设一台20/5T电动双梁桥式起重机，吊车跨度为12.0m，轨顶高程为6.1m，采用钢吊车梁。主厂房结构为排架结构，两端柱距为6.0m，其余为7个5.4m柱距，中间有一伸缩缝。排架柱为钢筋混凝土柱，柱间还应布置上下柱柱间支撑。屋面结构为钢梁、横向支撑、钢檩条和彩色夹芯保温屋面板等。围护结构为370厚普通烧结砖墙体，中间有圈梁和砌体加筋与排架柱相连。窗户采用断桥铝合金窗，主厂房大门为彩色夹芯板保温门，外墙均加保温材料。

由于主厂房下部无地下水，所以不做抗浮稳定计算。

2)副厂房

副厂房地面高程为1131.70m，由中控室、10KV高压配电室、低压配电室、无功补偿室、高压变频室和值班室等组成，总长度为41.6m，总宽度16.1m。主副厂房间设50mm防震缝。因主厂房开挖较深，副厂房紧靠主厂房建，副厂房需分级开挖，为避免地基不均匀沉降，副厂房基础做在原状土上，为钢筋混凝土独立柱基。副厂房结构采用钢筋混凝土框架结构，层高4.20m。外墙为300厚内墙为200厚的轻质砌块砌筑，窗户采用断桥铝合金窗，副厂房大门为彩色夹芯板保温门。配电室门为甲级防火门，窗为乙级防火窗，外墙均加保温材料。屋面为100厚挤塑聚苯板保温，高聚物改性沥青防水。

3)前池

前池为全封闭钢筋混凝土结构，边墙厚0.6m，底板厚0.8m，顶板厚0.2m。混凝土强度等级C25，抗冻等级F200,抗渗等级W4。池长43.7m，宽13.30m，高8.2m，有效容积900m³。池内布置进水管及溢流管，进水管为直径为DN1600的钢管，溢流管直径为DN1200的钢管，池顶覆土厚0.5m。由于前池下部无地下水，所以不做抗浮稳定计算。

4)阀门井(内设超压泄压阀)

阀门井设置1座，为全封闭钢筋混凝土结构，边墙厚0.4m，底板厚0.5m，顶板厚0.2m。混凝土强度等级C25，抗冻等级F200,抗渗等级W4。长5.0m，宽4.5m，高3.85m，顶覆土厚0.5m。

5)流量计井

流量计井设置4座，为全封闭钢筋混凝土结构，边墙0.4m，底板厚0.5m，顶板厚0.2m。混凝土强度等级C25，抗冻等级F200,抗渗等级W4。长、宽均为3.2m，高3.5m，顶覆土厚0.5m。

6)20m³气压罐井

气压罐井设置1座，为全封闭钢筋混凝土结构，边墙、底板厚均为0.5m，顶板厚0.2m。混凝土强度等级C25，抗冻等级F200,抗渗等级W4。长8.5m，宽4.4m，高4.5m，顶覆土厚0.5m。

因此，在本实施例中，水位净扬程参数具体如下：

表4水位净扬程参数表

泵站输水管线总长度为147km,管径为1×DN1200mm。其中，钢管113.5km，铸铁管28.5km采用谢才公式计算损失如下：

H_f1＝(16Q²L₁)/(C₁ ²d⁴Π²R)+(16Q²L₂)/(C₂ ²d⁴Π²R)

式中，管径d为1.2m，R为0.3m，这样求得H_f1＝76Q²＝139m。

而且，V为1.2m/s，Δ为0.7，Re为1.1×10^-6，

为0.00058，这样，计算出：H_f2＝147m。由于计算时阻力系数λ通过查询穆迪图得出，存在一定误差，本次设计采用第一沿程损失H_f1。在计算局部损失后，获得局部损失为6Q²。

通过以上计算泵站总扬程如下：

最高扬程：217.7+82Q²m

设计扬程：216.0+82Q²m

平均扬程：216.0+82Q²m

最小扬程：213.3+82Q²m

设计总流量：1.35m³/s

(1)水泵型式的选择

本泵站设计总流量为1.35m³/s，泵站设计扬程为365.5m，水泵属于高扬程水泵，在此条件下适用的水泵型式为卧式多级离心泵。

选用卧式离心泵的优点是：①厂房不需分层，厂房结构简单；②水泵机组较轻，节省水泵机组投资；③水泵机组安装检修方便。缺点是：选用卧式离心泵，厂房占地面积较大。

(2)水泵台数的确定

本工程在确定水泵台数时应遵循以下原则：

①本泵站属于高扬程、小流量泵站，因此水泵的比转速较低，对于本泵站比转速越低，水泵性能越差，因此在确定水泵台数时应尽可能的提高水泵比转速

②由于本泵站属于高扬程水泵，在此扬程下，国内外制造厂家能够满足本泵站扬程的生产厂家少，因此在确定水泵台数时应考虑国内外制造厂的设备生产情况。

③所选的水泵必须满足安全可靠运行，且在国内外已有应用的成熟产品。

根据以上原则，本泵站可选择安装6台水泵、4台水泵或3台水泵，共三个方案。当安装6台水泵时，4台工作，2台备用，单泵设计流量0.35m³/s；当安装4台水泵时，3台工作，1台备用，单泵设计流量0.45m³/s；当安装3台水泵时，2台工作，1台备用，单泵设计流量0.625m³/s。

综合比较，由于3台水泵方案虽然投资少，但制造周期长，制造难度大，供水灵活性差，本次设计不推荐采用3台水泵方案；6台机方案虽然供水灵活，但投资大，水泵性能最差，所以本次设计亦不采用此方案；本供水工程用户用水量存在变化和不确定性，水泵必须有一定的灵活性，结合水泵的生产制造难度及投资等因素综合比较，本次设计推荐泵站安装4台卧式多级离心泵，3台工作，1台备用，同时水泵安装变频设备，通过变频设备调节流量满足扬程和流量的变化。

本阶段设计D1200-92X4(P)型卧式多级离心泵进行本泵站的各项设计，本阶段选定水泵主要参数如下：

水泵安装高程的初定：

(1)水泵允许吸水高度的确定

[Hg]＝P_a/γ-P_v/γ-[Δh]-hg

P_a/γ:不同海拔下的大气压力(P_a/γ＝8.7)

P_v/γ:水在不同温度下的气化压力(P_v/γ＝0.24)

[Hg]：水泵允许吸上高度

[Δh]：允许气蚀余量 其中[Δh]＝1.4NPSH(NPSH＝8.0m)

hg：水泵进水管管路损失 其中hg＝0.52m

代入数值得 [Hg]＝-3.26m

经过对本工程用电负荷进行初步统计，确定加压泵站用电总负荷约为9621.25kVA，工程用电负荷较大。根据现场调查及业主提供的当地电网资料情况分析，初步确定本工程电源由乌审旗新能源化工基地220kV变电站10kV侧不同母线段取电，且能够满足本供水工程的用电要求。

供配电系统电源点取自乌审旗新能源化工基地220kV变电站，工程电压等级分为2级，即10kV及0.4kV，对不同电压等级的主接线形式分别叙述如下：

(1)10kV主接线

根据电源情况及输电线路回路数确定，结合本工程的特点、运行时间要求及电源接入方案。加压泵站10kV变电站10kV侧设计拟订二个主接线方案，分别叙述如下：

①单母线接线

主接线采用单母线接线方式，即双电源两端进线，互为闭锁，双电源互为备用，当一端电源或线路发生故障或检修时自动切换到另一端电源。其优点是开关柜数量减少，节省投资，电能损失较小；接线简单明了，运行方便。其缺点是当母线故障或检修时，需全厂停电，可靠性及灵活性较差。

②单母线分段接线

主接线采用单母线分段接线方式，其优点是接线简单明了，运行方便，当任意一段母线极其所接隔离开关故障或检修时，不影响另一段母线的机组工作，可靠性与灵活性均优于单母线接线。缺点是10kV配电装置元件多，增加检修工作量，增加投资。

经综合分析，根据本工程自身运行特点和运行负荷较大及运行工艺要求等，设计推荐采用单母线分段接线方案。

(2)低压厂用系统主接线

由于10kV主接线推荐采用单母线分段接线方式，所以厂用电低压系统0.4kV母线也推荐采用单母线分段接线方式，加压泵站低压负荷以0.4kV电缆线路呈放射状均匀分布在母线上。该方案接线安全可靠，运行灵活性较强，能满足泵站运行要求。

设备容量选择及无功补偿的负荷计算

加压泵站总用电负荷如下：

有功功率：7687.23kW；

无功功率：5774.82kVar；

视在功率：9621.25kVA；

自然功率因数：0.80；

无功补偿：3248.15kVar；

补偿后功率因数：0.95。

自动化监控系统由通讯网络、配电系统、显示系统组成，实现供水系统的自动化控制和管理。本系统拟设在加压泵站控制室。系统向执行设备传达命令，执行设备接受系统命令，启停水泵，采集信号，检查设备状态，将执行设备状态传输给供水调度管理中心，通过显示器或大屏幕将供水系统状态一目了然的显示出来。系统采用自动和手动两种控制方式，自动运行即将旋转开关扳至自动位置，或用鼠标点击画面上的开关，系统即全自动运行，水泵自动取水，经输水管线送出；手动是将旋转开关扳至手动位置时，系统局部可采用手动工作方式(一般适用于设备调试、维修)。

为满足长距离输水管线系统安全运行监测需要，本次工程拟采用管线测压及泄漏检测软件分析的方法对输水管线进行实时监测。在输水管线沿线设置压力监测点，根据输水管线沿途的地形条件，通过对不同运行流量下输水管线压力情况的分析来确定压力控制点的设置位置。压力控制点一般设置在地势较高，在管线调节时可能出现负压的位置。压力监测点则根据压力检测精度要求，基本沿输水管线等距离设置，并根据管线沿途井室设计位置以及现场条件作适当调整。测压点设备拟采用就地供电的方式，采用风光互补供电系统为其供电。风光互补供电系统是针对边远牧区、无电户地区，远离大电网，处于无电状态、人烟稀少，用电负荷低，用电时间短且交通不便的情况下，结合利用的风能、太阳能两者优势的一种经济实用型供电系统。

视频监控系统是供水工程生产管理、安全防范、保障运行可靠安全的重要组成部分，一方面建立的实时视频系统使站内日常管理和工作人员的操作更为规范，起一定的防范作用，结合视频图像的存储技术既能在第一时间内发现，同时能记录出现的管理漏洞或违规操作行为；另一方面可随时了解所监控范围的情况，一旦出现安全隐患能够及时发现，真正的防范于未然。在泵站各重要工位安装摄像机，将图像通过光纤传输到中心控制室；在中心控制室配置液晶监视器和硬盘录像机，用于整个系统的视频监视。

实施例4

本实施例提供了一种长距离高海拔输水线路的设计装置，其应用实施例1-3中所提供的任意一种长距离高海拔输水线路的设计方法。该设计装置包括模型建立模块、路线初步确定模块、计算确定模块、加权计算模块、排序选取模块、扬程计算模块以及设备确定模块。

模型建立模块用于获取输水线路的起点与终点之间的地理环境，并建立相应的输水模型。输水模型中设有起点与终点之间的一个预设区域的流域信息、气象信息、水文测站信息、径流信息、洪水信息、泥沙信息、冰情信息以及水质信息。路线初步确定模块用于根据流域信息、气象信息、水文测站信息、径流信息、洪水信息、泥沙信息、冰情信息以及水质信息，在输水模型中筛选出从起点至终点的多条初步路线。计算确定模块用于计算各条初步路线的管线长度，确定各条初步路线中所需的加压泵站、高位水池、输水泵站以及调流调压阀室的位置及数量。加权计算模块用于根据一个预设比重系数分布表中的加权关系，对每条初步路线所对应的加压泵站的数量、高位水池的数量、输水泵站的数量、调流调压阀室的数量以及管线长度分别进行加权，并计算出加权和。加压泵站的数量、高位水池的数量、输水泵站的数量、调流调压阀室的数量、输水扬程以及管线长度在预设比重系数分布表中分别存在一个对应的加权系数。排序选取模块用于按照加权和从小至大的顺序，对所有初步路线进行排序，选取加权和最小的初步路线作为输水路线。扬程计算模块用于计算输水路线的输水扬程。设备确定模块用于根据输水扬程，先确定输水管线的各段管件信息以及输水泵站的水机信息，再根据水机信息在输水模型中确定电源及供配电系统的参数信息，然后选择设备容量和无功补偿参数，再然后通过一个自动化监控系统对输水模型中各个设备的运行状态及数据进行监控，最后在输水模型中设置空调系统和消防系统。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种长距离高海拔输水线路的设计方法，其特征在于，其包括以下步骤：

(1)获取所述输水线路的起点与终点之间的地理环境，并建立相应的输水模型；所述输水模型中设有所述起点与所述终点之间的一个预设区域的流域信息、气象信息、水文测站信息、径流信息、洪水信息、泥沙信息、冰情信息以及水质信息；

(2)根据所述流域信息、所述气象信息、所述水文测站信息、所述径流信息、所述洪水信息、所述泥沙信息、所述冰情信息以及所述水质信息，在所述输水模型中筛选出从所述起点至所述终点的多条初步路线；

(3)计算各条初步路线的管线长度，确定各条初步路线中所需的加压泵站、高位水池、输水泵站以及调流调压阀室的位置及数量；

(4)根据一个预设比重系数分布表中的加权关系，对每条初步路线所对应的加压泵站的数量、高位水池的数量、输水泵站的数量、调流调压阀室的数量以及管线长度分别进行加权，并计算出加权和；所述加压泵站的数量、高位水池的数量、所述输水泵站的数量、所述调流调压阀室的数量、所述输水扬程以及所述管线长度在所述预设比重系数分布表中分别存在一个对应的加权系数；

(5)按照所述加权和从小至大的顺序，对所有初步路线进行排序，选取所述加权和最小的初步路线作为输水路线；

(6)计算所述输水路线的输水扬程；以及

(7)根据所述输水扬程，先确定所述输水管线的各段管件信息以及输水泵站的水机信息，再根据所述水机信息在所述输水模型中确定电源及供配电系统的参数信息，然后选择设备容量和无功补偿参数，再然后通过一个自动化监控系统对所述输水模型中各个设备的运行状态及数据进行监控，最后在所述输水模型中设置空调系统和消防系统。

2.如权利要求1所述的长距离高海拔输水线路的设计方法，其特征在于，所述流域信息包括所述预设区域内的水库信息，所述气象信息包括所述预设区域的气候特征信息；所述径流信息包括所述预设区域内的河流信息、降水量信息、一个预设时间段内所述预设区域的洪水分布信息以及丰枯信息；所述丰枯信息根据年径流变率划分出丰、平、枯水年份；所述洪水信息包括水库洪水信息以及山沟洪水信息；所述泥沙信息的计算公式为：

w_b＝βw_s

w_b为多年平均推移质年输沙量，w_s为多年平均悬移质年输沙量，β为推移质与悬移质沙量的比值。

3.如权利要求2所述的长距离高海拔输水线路的设计方法，其特征在于，所述水库信息包括入库量、水蒸发量以及淤积量；所述水蒸发量的计算公式为：

式中，h_蒸为单位面积蒸发量损失深度，k₁为蒸发折算系数，E₂₀为多年平均实测蒸发量，

为多年平均降雨量，

为多年平均径流深。

4.如权利要求1所述的长距离高海拔输水线路的设计方法，其特征在于，各段管件中最低壁厚的计算公式为：

T＝δ+C1+C2

式中，T为直管管壁设计壁厚，δ为直管管壁理论计算壁厚，C1为壁厚负偏差附加量，C2为腐蚀或磨蚀裕度附加量；

各段管件中最低强度的计算公式为：

γ_oσ≤f

e_min为最小壁厚，PFA为允许工作压力，SF为管件设计参数，DE为管的工程外径，Rm为最小抗拉强度；σ_θ为钢管管壁截面的最大环向应力，σ为钢管管壁截面的最大组合折算应力，η为应力折算系数，γ_o为管道结构重要性系敛。

5.如权利要求1所述的长距离高海拔输水线路的设计方法，其特征在于，所述初步路线的管线长度的计算方法包括以下步骤：

(3.1)对所述初步路线按照铺设管线的管件类型进行划分；

(3.2)统计每种管件的使用长度；

(3.3)计算各种管件的使用长度之和，并作为所述管线长度。

6.如权利要求1所述的长距离高海拔输水线路的设计方法，其特征在于，所述加权系数的确定方法包括以下步骤：

(4.1)确定所述加权系数所对应的设备的价值系数；

(4.2)确定所述加权系数所对应的设备的安装难度系数；

(4.3)对所述价值系数和所述安装难度系数进行加权求和以获得所述加权系数。

7.如权利要求1所述的长距离高海拔输水线路的设计方法，其特征在于，所述输水扬程的计算方法包括以下步骤：

(6.1)根据一个预设的水位净扬程参数表的对照关系，计算出输水过程中的最高净扬程、平均净扬程、设计净扬程以及最小净扬程；

(6.2)确定所述输水系统的泵站输水管线中各段管件的总长度L和管径d，并计算出至少两种沿程损失；其中一种沿程损失定义为第一沿程损失H_f1，其中另一种沿程损失定义为第二沿程损失H_f2；所述第一沿程损失H_f1为各段管件的沿程水头损失之和；所述第二沿程损失H_f2的计算方法包括以下步骤：

(6.2.1)计算雷诺数；

(6.2.2)计算相对粗糙度；

(6.2.3)根据所述雷诺数和所述相对粗糙度，确定清水阻力系数λ；以及

(6.2.4)计算所述第二沿程损失H_f2，且计算公式为：H_f2＝(λ×L×V²)/(2×d×g)；其中，V为所述管件的流速，g为重力加速度；

(6.3)分别计算所述第一沿程损失H_f1和所述第二沿程损失H_f2的误差，并选取误差最小的沿程损失；

(6.4)计算出局部损失；

(6.5)计算误差最小的沿程损失与所述局部损失之和，并将计算结果作为所述输水损失；以及

(6.6)将所述最高净扬程、所述平均净扬程、所述设计净扬程以及所述最小净扬程分别叠加所述输水损失以作为输水过程中的泵站总扬程。

8.如权利要求7所述的长距离高海拔输水线路的设计方法，其特征在于，所述第一沿程损失H_f1的计算公式为：

H_f1＝(16Q²L₁)/(C₁ ²d⁴Π²R)+(16Q²L₂)/(C₂ ²d⁴Π²R)+…+(16Q²L_n)/(C_n ²d⁴Π²R)

式中，Q为管道流量；L₁，L₂，…，L_n依次为各段管件的长度；C₁，C₂，…，C_n依次为各段管件的谢才系数；R为水力半径；

所述雷诺数的计算公式为：

Re＝(V×d)/ν

Re为所述雷诺数，ν为黏性系数；

各段管件的谢才系数的计算公式为：

C_n＝(R^0.16667)/m

式中，m为各段管件的粗糙系数。

9.如权利要求1所述的长距离高海拔输水线路的设计方法，其特征在于，所述水机信息中水泵安装高程的计算公式为：

[Hg]＝P_a/γ-P_v/γ-[Δh]-hg

式中，P_a/γ为不同海拔下的大气压力，P_v/γ为水在不同温度下的气化压力，[Hg]为水泵允许吸上高度，[Δh]为允许气蚀余量，hg为水泵进水管管路损失。

10.一种长距离高海拔输水线路的设计装置，其应用如权利要求1-9中任意一项所述的长距离高海拔输水线路的设计方法，其特征在于，其包括：

模型建立模块，其用于获取所述输水线路的起点与终点之间的地理环境，并建立相应的输水模型；所述输水模型中设有所述起点与所述终点之间的一个预设区域的流域信息、气象信息、水文测站信息、径流信息、洪水信息、泥沙信息、冰情信息以及水质信息；

路线初步确定模块，其用于根据所述流域信息、所述气象信息、所述水文测站信息、所述径流信息、所述洪水信息、所述泥沙信息、所述冰情信息以及所述水质信息，在所述输水模型中筛选出从所述起点至所述终点的多条初步路线；

计算确定模块，其用于计算各条初步路线的管线长度，确定各条初步路线中所需的加压泵站、高位水池、输水泵站以及调流调压阀室的位置及数量；

加权计算模块，其用于根据一个预设比重系数分布表中的加权关系，对每条初步路线所对应的加压泵站的数量、高位水池的数量、输水泵站的数量、调流调压阀室的数量以及管线长度分别进行加权，并计算出加权和；所述加压泵站的数量、高位水池的数量、所述输水泵站的数量、所述调流调压阀室的数量、所述输水扬程以及所述管线长度在所述预设比重系数分布表中分别存在一个对应的加权系数；

排序选取模块，其用于按照所述加权和从小至大的顺序，对所有初步路线进行排序，选取所述加权和最小的初步路线作为输水路线；

扬程计算模块，其用于计算所述输水路线的输水扬程；以及

设备确定模块，其用于根据所述输水扬程，先确定所述输水管线的各段管件信息以及输水泵站的水机信息，再根据所述水机信息在所述输水模型中确定电源及供配电系统的参数信息，然后选择设备容量和无功补偿参数，再然后通过一个自动化监控系统对所述输水模型中各个设备的运行状态及数据进行监控，最后在所述输水模型中设置空调系统和消防系统。

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